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Última atualização 1 de agosto de 2025

Enigma da Massa Faltante: Matéria Escura e Energia Escura

Matéria escura e energia escura no cosmos

O mistério dos 95% de matéria e energia invisíveis

Quando observamos as galáxias, os aglomerados de galáxias ou o fundo cósmico de micro-ondas, uma evidência salta aos olhos dos cosmólogos: as leis da gravitação não são suficientes para explicar as observações. No entanto, a matéria visível, aquela que compõe as estrelas, os planetas e nós mesmos, representa apenas 4,9% do universo. Os 95,1% restantes são compostos por duas entidades invisíveis e misteriosas: a matéria escura e a energia escura.

Tabela resumo dos componentes do universo

Composição estimada do universo (Planck 2018)
ComponenteProporçãoNatureza físicaMétodo de detecção
Matéria bariônica4,9%Átomos, plasma, poeiraEmissão, absorção, luz visível, raios X
Matéria escura26,8%Desconhecida (WIMPs? áxions? neutrinos?)Efeitos gravitacionais (lentidão das velocidades de rotação galáctica, lentes gravitacionais)
Energia escura68,3%Desconhecida (vácuo quântico? constante cosmológica?)Aceleração da expansão cósmica, supernovas Ia

Fonte: Missão ESA Planck, Resultados 2018.

Matéria escura: um halo gravitacional invisível

Deduzi-se da rotação galáctica e da dinâmica dos aglomerados que a matéria escura representa cerca de 26,8% da energia total do universo. Ela não emite, absorve nem reflete luz. Sua presença é traída apenas por seus efeitos gravitacionais, como a lentidão anormal da diminuição da velocidade das estrelas com a distância ao centro galáctico. Várias hipóteses foram propostas: neutrinos massivos, áxions, WIMPs (partículas massivas de interação fraca), mas nenhum candidato foi detectado até hoje.

Teorias sobre a natureza da matéria escura

A ausência de detecção direta da matéria escura estimula uma diversidade de modelos teóricos, que vão desde partículas supersimétricas até extensões do campo gravitacional. Essas hipóteses buscam explicar suas propriedades: gravitacional mas não eletromagnética, massiva mas não visível.

Hipóteses teóricas sobre a matéria escura
CandidatoNaturezaOrigem teóricaStatus experimental
WIMPsPartículas massivas fracamente interativasSupersimetria (SUSY), neutralinosNão detectadas (XENONnT, LUX-ZEPLIN)
ÁxionsPartículas muito leves, pseudoescalaresTeoria de Peccei-Quinn, QCDPesquisas em andamento (ADMX, MADMAX)
Neutrinos estéreisNeutrinos inertes interagindo apenas por gravidadeExtensão do modelo padrãoNão confirmados, mas compatíveis com certas anomalias
Matéria escura autointerativa (SIDM)Partículas que se aniquilam ou se dispersam entre siModelos de estrutura galácticaTestes em perfis de densidade de aglomerados
Matéria escura ultraleve (Fuzzy DM)Bósons com massa ~\(10^{-22}\) eVCondensado de Bose-Einstein cosmológicoEfeitos em halos em grande escala
MACHOsObjetos astrofísicos compactos não luminososBuracos negros, anãs marrons, estrelas mortasExcluídos para a maioria da matéria escura (microlentes)
MOND / TeVeSModificações da dinâmica newtonianaTeorias alternativas à matéria escuraIncapacidade de reproduzir as lentes gravitacionais
Partículas do setor escuroPartículas interagindo via forças não padrão (ex. fótons escuros)Extensões do Modelo Padrão, às vezes da teoria das cordasInterações muito fracas com nosso setor, pesquisas indiretas em andamento
Buracos negros primordiais (PBH)Buracos negros formados durante a era inflacionáriaModelos de inflação com flutuações de densidade locaisMicrolentes gravitacionais, ondas gravitacionais (LIGO/Virgo)
Matéria espelhoRéplica do Modelo Padrão em um setor espelhoInspiração por simetria \(\mathbb{Z}_2\), respeito à paridadePotencialmente detectável via oscilações de neutrinos ou efeitos térmicos

Fontes: Bertone & Tait (2018), Colaboração LUX-ZEPLIN (2022), Revisão de Matéria Escura Difusa (2020).

Energia escura: a força da aceleração cósmica

Descoberta indiretamente pelo estudo de supernovas do tipo Ia nos anos 90, a energia escura representaria 68,3% do universo. Ela seria responsável pela aceleração da expansão cósmica, como uma forma de antigravidade cósmica. Modelada pela constante cosmológica \(\Lambda\) nas equações de Einstein, ela desafia nossa compreensão dos campos quânticos e do próprio vácuo. A densidade dessa energia parece permanecer constante ao longo do tempo, o que torna sua origem profundamente enigmática.

Teorias sobre a natureza da energia escura

A energia escura é um dos maiores mistérios da cosmologia. Vários modelos buscam explicar seu efeito repulsivo sobre a expansão do espaço, seja como uma propriedade intrínseca do vácuo ou como uma manifestação de uma dinâmica mais profunda ou geométrica do universo.

Hipóteses teóricas sobre a energia escura
ModeloDescriçãoComponente (\(w\))Testes experimentais
Constante cosmológica (\(\Lambda\))Energia do vácuo, densidade constante\(w = -1\)Acordo com dados de Planck, SDSS, SN Ia
QuintessênciaCampo escalar dinâmico com potencial lento\(-1 < w < -\frac{1}{3}\)Projetos Euclid, DESI, LSST
Energia fantasmaCampo de energia negativa\(w < -1\)Levaria ao cenário do Big Rip
k-essênciaCampo escalar com cinética não padrãoVariável, depende da dinâmicaPrevisões para Euclid e LSST
Gravidade modificada (f(R), DGP...)Modificação da relatividade geral em grande escalaNenhum \(w\) definido (efeito geométrico)Testes sobre a formação de grandes estruturas
Retroação cosmológicaEfeito emergente das inhomogeneidades gravitacionaisNenhum fluido, mas geometria médiaMuito difícil de modelar, sem consenso
Energia escura emergente (Gravidade Entrópica)Gravidade e aceleração como fenômenos termodinâmicosNenhum \(w\) clássicoTeoria especulativa, sem previsões precisas
Modelos holográficos (HDE)A energia escura decorre de um princípio holográfico sobre a densidade de informação\( w \approx -1 \), depende do raio cosmológicoTestes em CMB, formação de estruturas, LSST futuro
Campos vetoriais escurosVetores dinâmicos responsáveis pela aceleração da expansão\( w(t) \) variável de acordo com o campoModelos testáveis por anisotropias do fundo difuso
Teoria das interações retardadasO efeito da matéria sobre a geometria do espaço-tempo não é instantâneoNenhum fluido, efeito de memória ou retardado da matéria ordináriaHipótese especulativa, dificilmente testável experimentalmente

Fontes: Copeland et al. (2006), ESA Euclid, Verlinde (2011) – Gravity as an Emergent Phenomenon.

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